生物材料学-第9章-仿生材料课件.ppt

1、1第九章第九章 仿仿 生生 材材 料料2仿生学仿生学?从自然到技术的思想或概念，对应的英文单词：从自然到技术的思想或概念，对应的英文单词：Bionics(仿生仿生)Biomimetics(仿生仿生)Biomimesis(生物拟态生物拟态)Biognosis(生命论生命论/生物论生物论)bio-inspiration(生物灵感生物灵感)Biomimicry (模仿生物模仿生物)Bionics取自拉丁文取自拉丁文“bios”(生命方式生命方式)和词尾和词尾“nic”(具具有有性质的性质的).3l研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术

2、提供新的设计思想、相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学工作原理和系统构成的技术科学.l“学习自然界的现象作为技术创新的模式学习自然界的现象作为技术创新的模式”的的基本概念基本概念.l1960年，在美国俄亥俄州召开第一届仿生讨论年，在美国俄亥俄州召开第一届仿生讨论会，收到会，收到28篇论文。美国学者篇论文。美国学者J.E.斯梯尔斯梯尔提出“bionics”一词，他将其定义为：一词，他将其定义为：仿生学是研仿生学是研究模仿生物系统方式，或是以具有生物系统特究模仿生物系统方式，或是以具有生物系统特征的方式，或是以类似于生物系统方式的系统征的方式，或是以类似于生物系统

3、方式的系统科学科学4凤蓬草凤蓬草 轮子轮子 鱼尾鱼尾 船橹船橹 人眼晶状体人眼晶状体 透镜透镜 生物电生物电 电池电池 鸟鸟 飞机飞机生活中的仿生学生活中的仿生学仿生学：生命科学、物质科学、信息科仿生学：生命科学、物质科学、信息科学、工程技术、数学与力学、系统科学、工程技术、数学与力学、系统科学等多学科的交叉学等多学科的交叉.仿生学可应用于所有技术领域和大多数仿生学可应用于所有技术领域和大多数应用领域应用领域.5昆虫是地球上分布昆虫是地球上分布最广的动物最广的动物天上飞天上飞地上爬地上爬水中游水中游地下钻地下钻6昆虫形态的仿生昆虫形态的仿生模仿昆虫外部形态及其特征，构建模仿昆虫外部形态及其特征

4、，构建实用的技术系统或制造产品。实用的技术系统或制造产品。模仿的形态包括：体表形态结构、模仿的形态包括：体表形态结构、翅的色彩花纹、翅的鳞片结构、足的翅的色彩花纹、翅的鳞片结构、足的形状、昆虫巢穴形态及结构等。形状、昆虫巢穴形态及结构等。7仿蝴蝶色彩花纹形态构建军事伪装设施仿蝴蝶色彩花纹形态构建军事伪装设施8蝴蝶翅膀鳞片仿生蝴蝶翅膀鳞片仿生 模仿蝴蝶翅面上的鳞片随模仿蝴蝶翅面上的鳞片随阳光照射方向自动变换角阳光照射方向自动变换角度而调节体温的原理，成度而调节体温的原理，成功实现对人造卫星由于位功实现对人造卫星由于位置不断变化而引起温度骤置不断变化而引起温度骤然变化的控制。然变化的控制。9筑筑巢

5、巢10吉吉 林林 大大 学学 生生 物物 与与 农农 业业 工工 程程 学学 院院1112体表微结构与仿生防伪技术体表微结构与仿生防伪技术某些种类的蝴蝶（如：大凤蝶）的翅某些种类的蝴蝶（如：大凤蝶）的翅膀颜色是黄、蓝色，但看起来却是闪闪发膀颜色是黄、蓝色，但看起来却是闪闪发光的绿色。原因乃是布满蝴蝶翅膀上的微光的绿色。原因乃是布满蝴蝶翅膀上的微型小坑对光线的反射，人眼无法将从坑底型小坑对光线的反射，人眼无法将从坑底反射的黄色光与周围两次反射的兰色光区反射的黄色光与周围两次反射的兰色光区分开来，从而感觉到的是绿色。研究如何分开来，从而感觉到的是绿色。研究如何仿照蝴蝶翅膀表面细微结构开发新型防伪仿

6、照蝴蝶翅膀表面细微结构开发新型防伪技术（如防伪纸币或信用卡）已成为仿生技术（如防伪纸币或信用卡）已成为仿生学家的课题。学家的课题。13一种非洲白蚁巢穴及内部结构一种非洲白蚁巢穴及内部结构The interior of a typical mound of the South African termitidAmitermes hastatus14感觉器官与仿生感觉器官与仿生15触角及其上的传感器触角及其上的传感器16一些蜂类具有敏锐的听觉一些蜂类具有敏锐的听觉17l自然界中存在的天然生物材料有着人工材自然界中存在的天然生物材料有着人工材料无法比拟的优越功能。材料学家做不出料无法比拟的优越功能。

7、材料学家做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质；海洋具有高强度和高韧性的动物牙釉质；海洋中坚固又耐蚀的贝壳等。生物都是由简单中坚固又耐蚀的贝壳等。生物都是由简单而且廉价的无机和有机材料通过自组装而而且廉价的无机和有机材料通过自组装而形成，但具有精巧的结构。形成，但具有精巧的结构。l 19921992年，美国的秋季材料研讨会增加年，美国的秋季材料研讨会增加了了“受生物系统启发的材料研究受生物系统启发的材料研究”（Materials Research Inspired by Materials Research Inspired by Biological SystemsBiological Sys

8、tems）这一分会，标志着）这一分会，标志着仿生材料受到广泛的关注仿生材料受到广泛的关注l。18 仿生材料学仿生材料学l 仿生材料学是仿生学的一个重要分支，仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是指从分子水是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系，进而研发平上研究生物材料的结构特点、构效关系，进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴科学，是化学、出类似或优于原生物材料的一门新兴科学，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉材料学、生物学、物理学等学科的交叉。l 人类研究仿生人类研究仿生决不是简单的模仿决不是简单的模仿，而是学习自然界生，而是学习自然界生物精妙结构后的再度升华。物精妙结构后

9、的再度升华。l 仿生材料学自诞生以来即获得了迅速的发展，特别是仿生材料学自诞生以来即获得了迅速的发展，特别是美日等发达国家近年来更是投入了大量的资金和人力美日等发达国家近年来更是投入了大量的资金和人力抢先开展多方面的研究和产品开发，获得了惊人的进抢先开展多方面的研究和产品开发，获得了惊人的进步步.例如，在天然生物的层状结构特征及其仿生材料例如，在天然生物的层状结构特征及其仿生材料和非层状结构特征及其仿生材料的研制方面，以及动和非层状结构特征及其仿生材料的研制方面，以及动物的皮毛状结构及其仿生设计方面都有许多成功的范物的皮毛状结构及其仿生设计方面都有许多成功的范例。例。19l 19991999年

10、，年，BarthlottBarthlott和和NeihuisNeihuis认为：认为：自自清洁的特征是由于清洁的特征是由于粗糙表面上的微米粗糙表面上的微米结构的乳突以及表结构的乳突以及表面蜡状物的存在共面蜡状物的存在共同引起的；同引起的；l 乳突的平均直径为乳突的平均直径为59um59uml疏水疏水自然界的自然界的启发启发水滴在荷叶，鹅毛等水滴在荷叶，鹅毛等表面随意地滚动。表面随意地滚动。20碳纳米管法(江雷等):纳米结构与微米结构结合产生低滚动角l乳突直径为乳突直径为2.890.32um，距离距离9.612.92um，纳米管平均直径为纳米管平均直径为3060nm，l静态接触角约为静态接触角约

11、为1600，滚动角约滚动角约30。21蜘蛛丝的结构与仿生蜘蛛丝的结构与仿生l 最早研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和最早研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。蚕或者蜘蛛吐出的人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。蚕或者蜘蛛吐出的丝纯粹是由蛋白质构成，特别是蚕丝，具有温暖的触感和丝纯粹是由蛋白质构成，特别是蚕丝，具有温暖的触感和美丽的光泽。美丽的光泽。l 人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法，人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法，此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能

12、研制了许多新型纤维。例如：牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维（东许多新型纤维。例如：牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维（东洋纺），商品名为稀苤的高吸湿性纤维（旭化成）等等。洋纺），商品名为稀苤的高吸湿性纤维（旭化成）等等。这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与内部构造取得了成功。另外人们还对蚕的产丝体和蜘蛛丝内部构造取得了成功。另外人们还对蚕的产丝体和蜘蛛丝进行了卓有成效的研究，研究者们期待有朝一日能够制造进行了卓有成效的研究，研究者们期待有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。出与蚕丝完全一样的人造丝。22西瓜纤维素的结构与仿生西瓜纤维素的结构

13、与仿生l 植物为我们提供了很多有趣的现象，例如我们常植物为我们提供了很多有趣的现象，例如我们常见的西瓜是一种含水量极高的水果，在它的启发见的西瓜是一种含水量极高的水果，在它的启发下，人们研制了一种西瓜纤维素构造相似的超吸下，人们研制了一种西瓜纤维素构造相似的超吸水性树脂，它是用特殊设计的高分子材料制造的，水性树脂，它是用特殊设计的高分子材料制造的，能够吸收超越自身重量数百倍到数千倍的水分，能够吸收超越自身重量数百倍到数千倍的水分，现在已用于废油的回收，既经济又高效。这种材现在已用于废油的回收，既经济又高效。这种材料如果进一步得到完善的话，将来液体的包装和料如果进一步得到完善的话，将来液体的包装

14、和输送就可能用一种全新的技术来代替。比如，将输送就可能用一种全新的技术来代替。比如，将来的饮料就不再用现在的杯子来装，而是只要用来的饮料就不再用现在的杯子来装，而是只要用一片薄膜就可。一片薄膜就可。231 1、复合特征、复合特征l地球上的生物材料几乎都是复合材料，地球上的生物材料几乎都是复合材料，其优良比能靠其组分的复合来保证。而其优良比能靠其组分的复合来保证。而且生存下来的生物大多数都符合环境的且生存下来的生物大多数都符合环境的要求，并成功地达到了优化水平。如骨要求，并成功地达到了优化水平。如骨骼是由羟基磷灰石和骨纤维构成的复合骼是由羟基磷灰石和骨纤维构成的复合材料，不仅强度高，而且韧性好，

15、对该材料，不仅强度高，而且韧性好，对该特征的研究将推动对材料的微观和宏观特征的研究将推动对材料的微观和宏观优化设计。优化设计。9.1 生物材料的特征生物材料的特征242 2、功能适应性、功能适应性l生物材料不论从形态学还是从力学的观生物材料不论从形态学还是从力学的观点看，都是极其复杂的。这种复杂性是点看，都是极其复杂的。这种复杂性是长期自然选择的结果，是由功能适应性长期自然选择的结果，是由功能适应性决定的。决定的。l例如，树木通常生长挺直，一旦倾斜偏例如，树木通常生长挺直，一旦倾斜偏离了正常位置，便在高应力区产生应力离了正常位置，便在高应力区产生应力木恢复正常位置，这说明树木具有反馈木恢复正常

16、位置，这说明树木具有反馈功能和自我调节功能功能和自我调节功能;253 3、自愈合、自愈合l生物体的显著特点是具有再生机能，即生物体的显著特点是具有再生机能，即受到损伤后，机体能够自行修补创伤。受到损伤后，机体能够自行修补创伤。如，发生骨折后，裂口附近的骨内膜和如，发生骨折后，裂口附近的骨内膜和外膜开始增生和加厚，成骨细胞大量生外膜开始增生和加厚，成骨细胞大量生长形成骨痂，在成骨和破骨细胞作用下长形成骨痂，在成骨和破骨细胞作用下将骨痂逐渐变成正常骨。将骨痂逐渐变成正常骨。l该特性的研究将为人类设计有生命材料该特性的研究将为人类设计有生命材料提供参考对象。提供参考对象。264 4、合成技术、合成技

17、术l 在自然界环境中在自然界环境中(50)，生物体能够合成目，生物体能够合成目前人类无法合成的材料。如蜘蛛在常温水溶液前人类无法合成的材料。如蜘蛛在常温水溶液中把可溶性蛋白质变成不可溶性蛋白质纤维束，中把可溶性蛋白质变成不可溶性蛋白质纤维束，而且其强度很高。而且其强度很高。l 目前，人类要合成高强度聚乙烯纤维不仅用浓目前，人类要合成高强度聚乙烯纤维不仅用浓硫酸而且温度也较高，做出的纤维强度还比不硫酸而且温度也较高，做出的纤维强度还比不上蜘蛛丝，即浪费能源，又污染环境。相比之上蜘蛛丝，即浪费能源，又污染环境。相比之下，自然界的合成技术显得十分美妙绝伦。下，自然界的合成技术显得十分美妙绝伦。l 因

18、此研究生物界的合成技术，对充分利用自然因此研究生物界的合成技术，对充分利用自然资源，保护环境有十分重大的意义。资源，保护环境有十分重大的意义。275 5、多功能性、多功能性l生物材料的多功能性是其最普通的特征。生物材料的多功能性是其最普通的特征。l生物体在自然界所遇到的冲击来自各个生物体在自然界所遇到的冲击来自各个方面，如温度的变化、风的冲击、各种方面，如温度的变化、风的冲击、各种天敌的袭击等，因此它只有具备了抵抗天敌的袭击等，因此它只有具备了抵抗这些危险因素的本领才能够生存下来。这些危险因素的本领才能够生存下来。l细如发丝的蜘蛛丝反射紫外光不仅能够细如发丝的蜘蛛丝反射紫外光不仅能够捕捉昆虫，

19、而且能够传输信息。对该机捕捉昆虫，而且能够传输信息。对该机理的研究为我们设计多功能材料可以提理的研究为我们设计多功能材料可以提供指导和帮助。供指导和帮助。281.结构生物材料的物理和化学分析结构生物材料的物理和化学分析(如骨骼、木材、珍如骨骼、木材、珍珠、皮肤等珠、皮肤等)，以便更好地理解其结构的设计与性能，以便更好地理解其结构的设计与性能;2.直接模仿生物体进行材料制备与开发；直接模仿生物体进行材料制备与开发；3.利用生物加工技术制备材料的力学行为分析利用生物加工技术制备材料的力学行为分析;4.在模仿过程中受到启发，以所得到的结构、化学等在模仿过程中受到启发，以所得到的结构、化学等新概念，进

20、行新型合成材料的设计。新概念，进行新型合成材料的设计。5.仿生材料和结构在新领域中的应用，如在机器人和仿生材料和结构在新领域中的应用，如在机器人和航空结构等方面航空结构等方面6.在生物结构的力学分析指导下，对现有结构设计的在生物结构的力学分析指导下，对现有结构设计的优化优化;7.生物材料及结构在进化过程中，所用设备标准的分生物材料及结构在进化过程中，所用设备标准的分析析;8.模仿生物体所进行的某些系统的开发，如超灵敏度模仿生物体所进行的某些系统的开发，如超灵敏度机械接收器等。机械接收器等。9.2 仿生材料研究的内容仿生材料研究的内容29l 对天然竹材结构的仿生制造出的复合材料，其对天然竹材结构

21、的仿生制造出的复合材料，其弯曲性能比不仿生的高弯曲性能比不仿生的高81%以上以上;l仿植物纤维的高温强度比未仿生的高出仿植物纤维的高温强度比未仿生的高出5倍以上倍以上;l科学家对蝴蝶身上鳞片能在阳光照射下调节体科学家对蝴蝶身上鳞片能在阳光照射下调节体温的仿生使得人造卫星在宇宙运行时保持内部温的仿生使得人造卫星在宇宙运行时保持内部温度的稳定以保证内部机器设备的正常运转；温度的稳定以保证内部机器设备的正常运转；l美国科学家模仿甲壳虫喷射自卫原理研制了威美国科学家模仿甲壳虫喷射自卫原理研制了威力强大的二元化武器；力强大的二元化武器；l模仿萤火虫发光原理制成了冷光源使得发光效模仿萤火虫发光原理制成了冷

22、光源使得发光效率提高了十几倍；率提高了十几倍；l对苍蝇复眼的仿生制成了一次可拍摄对苍蝇复眼的仿生制成了一次可拍摄1300多幅多幅高分辨率照片的蝇眼照相机。高分辨率照片的蝇眼照相机。9.3 仿生材料研究取得的成果仿生材料研究取得的成果30l 短短百年间，合成材料取得如此成绩不凡短短百年间，合成材料取得如此成绩不凡的进展，远远超过了自然界的进化速度。的进展，远远超过了自然界的进化速度。自然界正好是发展历时很短，同时进步更自然界正好是发展历时很短，同时进步更为快速的人类去学习和模仿的最好和最直为快速的人类去学习和模仿的最好和最直接的接的“老师老师”和和“模特模特”，材料科学正在，材料科学正在从更微观

23、的层次师法自然，通过对原先从更微观的层次师法自然，通过对原先“熟悉熟悉”的天然材料进行再认识，从的天然材料进行再认识，从“仿仿生学生学”中汲取自身再发展的营养，这就是中汲取自身再发展的营养，这就是正在成为正在成为21世纪材料科学领域发展的热点世纪材料科学领域发展的热点和前沿的和前沿的“仿生科学仿生科学”的的依据和基础依据和基础。仿生材料研究取得的成果仿生材料研究取得的成果31l仿生材料的研究期望通过结构仿生和功能仿生及其理论仿生材料的研究期望通过结构仿生和功能仿生及其理论计算与模拟，获得高效、低能耗、环境和谐与快速智能计算与模拟，获得高效、低能耗、环境和谐与快速智能应变的新材料及其新性质。应变

24、的新材料及其新性质。l通过制备与生物相似结构或者形态，得到人造材料新的通过制备与生物相似结构或者形态，得到人造材料新的性能和与自然界不同的特异性能，如人工类珐琅质、高性能和与自然界不同的特异性能，如人工类珐琅质、高强韧陶瓷、仿生人工骨材料、仿蜘蛛人造纤维强韧陶瓷、仿生人工骨材料、仿蜘蛛人造纤维;l仿造自然界动物和植物的特异功能和智能响应，发展具仿造自然界动物和植物的特异功能和智能响应，发展具有与生物相似或者超越生物现有功能的人工材料，如仿有与生物相似或者超越生物现有功能的人工材料，如仿荷叶自清洁材料、仿鳖鱼的自润滑材料、在基因改造的荷叶自清洁材料、仿鳖鱼的自润滑材料、在基因改造的细胞中高效合成

25、手性分子和大分子等。细胞中高效合成手性分子和大分子等。l人类研究仿生的目的不仅是要去模仿生物材料的结构形人类研究仿生的目的不仅是要去模仿生物材料的结构形式，而且要观察、分析生物结构现象，探索其规律，理式，而且要观察、分析生物结构现象，探索其规律，理解其实质，并将其用到现代材料及器件的设计和制备中。解其实质，并将其用到现代材料及器件的设计和制备中。9.4 仿生材料研究的方法仿生材料研究的方法32仿生材料研究的方法包括仿生材料研究的方法包括:1.明确目标材料存在的问题明确目标材料存在的问题;2.在自然界中寻找相关的材料体系，并研究在自然界中寻找相关的材料体系，并研究其内部结构、性能的规律，发现其实

26、质，其内部结构、性能的规律，发现其实质，直接或间接地获得灵感，启发思维建立模直接或间接地获得灵感，启发思维建立模型并进行定量计算型并进行定量计算;3.提出新材料模型，优化材料设计并用模型提出新材料模型，优化材料设计并用模型材料验证理论模型材料验证理论模型;4.实际制备新材料，若发现问题，则进一步实际制备新材料，若发现问题，则进一步仿生，完善所建模型，并据此制备材料，仿生，完善所建模型，并据此制备材料，如此反复，直到可应用于实际工程中。如此反复，直到可应用于实际工程中。33蜘蛛丝的力学性能蜘蛛丝的力学性能 蜘蛛丝是由不同功能的几种丝组成，蜘蛛丝是由不同功能的几种丝组成，“桥架丝桥架丝”是蜘蛛编网

27、时产生的第一根丝，是整张丝的构建是蜘蛛编网时产生的第一根丝，是整张丝的构建骨架；骨架；“粘丝粘丝”用来粘住落网猎物；用来粘住落网猎物；“框丝框丝”是是蛛网最外层的丝，它通过有粘丝的附着丝与周围蛛网最外层的丝，它通过有粘丝的附着丝与周围的数目等物体相连；的数目等物体相连；“牵引丝牵引丝”用于遇险时将自用于遇险时将自己吊到空中以逃避危险。由于功能不同，各种蜘己吊到空中以逃避危险。由于功能不同，各种蜘蛛丝具有不同的力学性能。蛛丝具有不同的力学性能。34图图 牵引丝的应力应变曲线牵引丝的应力应变曲线 图图 粘丝的应力应变曲线粘丝的应力应变曲线 牵引丝表现了较高的强度、模量和韧性，断裂强牵引丝表现了较高的强度、模量和韧性，断裂强度高于度高于0.8GPa;粘丝的力学性能类似于橡胶，属粘丝的力学性能类似于橡胶，属于低模量延伸材料。于低模量延伸材料。35l蜘蛛丝的滞变性能蜘蛛丝的滞变性能36思考题思考题l1、什么叫仿生材料。、什么叫仿生材料。l2、生物材料具有那些特征？、生物材料具有那些特征？l3.简述仿生材料的研究方法和发展趋势。简述仿生材料的研究方法和发展趋势。